張曉宇,顧喬根，文繼鋒，莫品豪，鄭 超

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102)

移相變壓器通過向輸電線路中串入橫向或縱向的電壓，改變設備安裝點電壓的幅值與相位，從而控制輸電線路穩(wěn)態(tài)潮流和電壓[1]。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電網結構日趨復雜，已成為包含多種類型電源、多種類型負荷、不同電壓等級設備、交直流混聯(lián)的龐大系統(tǒng)，這對電網的可靠經濟運行提出了更高的要求[2]。移相變壓器作為一種控制輸電潮流的有效手段，能避免過負荷和欠負荷情況，提高現(xiàn)有輸電線路的輸送容量，降低輸電成本。新型移相變壓器還能提高系統(tǒng)的動態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性能，提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性等[3]。在國外超高壓電網中已得到廣泛應用。 目前在利用移相變壓器解決系統(tǒng)暫態(tài)和動態(tài)方面，如提高暫態(tài)穩(wěn)定性，減輕導致聯(lián)絡線失步的穿越潮流，抑制故障后線路功率突增所造成的開關過負荷及阻尼振蕩，已有相關研究[4]。但我國尚未大規(guī)模采用移相變壓器技術，對其本體保護的研究也較少。從移相變壓器的結構出發(fā)，給出不同移相變壓器的差動保護配置方案，并通過RTDS仿真分析各差動保護的保護范圍和反映的故障類型。

1 移相變壓器的基本接線形式

移相變壓器種類繁多，一次結構復雜多樣，因此二次保護配置也需隨一次接線方式的不同而有所不同。

1.1 移相變壓器基本原理

移相變壓器的結構、控制方式上雖然有很大差別，但其調節(jié)線路潮流的原理是一致的。其基本原理是對輸入電壓注入一個與之成一定角度的電壓分量，使輸出電壓相角發(fā)生偏移[5]。在變壓器的一次側(電源)和二次側（負荷）之間產生一個相位移，從而達到控制潮流的目的。

對于連接兩端交流系統(tǒng)的輸電線路 （如圖1所示），其傳輸功率的大小可用下式來表示[4]：

式中：PSL為節(jié)點 S 流向節(jié)點 L 的有功功率；US，UL，δS，δL分別為節(jié)點S和節(jié)點L的母線電壓幅值和相位；XSL為聯(lián)絡線路的等效電抗值。可見，線路上傳輸?shù)挠泄β手饕晒?jié)點電壓、相角和線路阻抗決定，通過控制輸電線路的電壓、阻抗以及相角就可以改變線路傳輸?shù)墓β省?/p>

圖1 安裝移相變壓器前的傳輸功率

式中：U'S為移相變壓器補償后的電壓；Δδ為移相變壓器補償相角。移相變壓器的補償電壓改變了線路電壓的幅值和相角，以此調節(jié)線路潮流。

1.2 非對稱型和對稱型

從補償后的電氣特性來看，移相變壓器可分為非對稱型和對稱型2種。

非對稱型移相變壓器的輸出電壓與輸入電壓相比，相角和幅值均發(fā)生變化。勵磁繞組E1的電壓取自串聯(lián)繞組B的一側（如圖2所示）。

圖2 非對稱型移相變壓器

對稱型移相變壓器的輸出電壓與輸入電壓相比，僅相角改變，幅值不變。勵磁繞組E1電壓取自2個串聯(lián)繞組B1和B2的中間位置（如圖3所示）。

圖3 對稱型移相變壓器

1.3 單芯和雙芯

從一次結構上看，移相變壓器可分為單芯和雙芯2種類型。

單芯移相變壓器是基于1臺三相變壓器，用適當?shù)慕泳€方式實現(xiàn)移相。串聯(lián)繞組的副邊和線路直接連接（如圖4所示）。

簡單地說，主體是故事中追求某種目標或完成某項任務的人物；客體是所追求的目的；發(fā)送者既可能是一個人，又可能是引發(fā)主角行動的抽象力量；獲得對象的則稱為接受者；幫助者是對主體起促進作用的人或抽象事物；阻礙者則起阻礙作用。

圖4 單芯移相變壓器

雙芯移相變壓器基于2臺獨立變壓器，1臺并聯(lián)變壓器（ET）用于調節(jié)從系統(tǒng)中抽取電壓的大小。另1臺串聯(lián)變壓器（BT）用于將該電壓注入線路中（如圖5所示）。

圖5 雙芯移相變壓器

1.4 連續(xù)控制型和分級控制型

從調壓方式上看，移相變壓器可分為連續(xù)控制型和分級控制型2種。

連續(xù)控制移相變壓器通過調節(jié)同一繞組的分接頭等方式實現(xiàn)補償電壓幅值的連續(xù)調節(jié)（如圖6所示）。

圖6 連續(xù)控制移相變壓器

分級控制型移相變壓器的調壓方式是將變壓器副邊繞組分成n個級差繞組 （每個繞組的匝比根據(jù)需求可以相同或不同），通過控制系統(tǒng)控制投入不同的繞組，使輸入電壓逐級變化，從而離散的改變補償電壓大?。ㄈ鐖D7所示）。

圖7 分級控制移相變壓器

2 移相變差動保護基本類型

應用于移相變壓器的差動保護主要有2種不同的基本原理。在此基礎上，不同的一次接線和電壓互感器（TA）配置產生了不同的差動保護配置方案。

2.1 磁平衡差動

磁平衡也叫做磁通平衡或安匝平衡，是普通變壓器差動保護的理論基礎。對于Y/Y接線兩圈變，其差流計算公式為：

式中：Id為差流分別為2圈變2個繞組的一次電流；K為變壓器的匝比即原副邊的額定電壓比。移相變壓器通常由1個或2個變壓器組成，每個變壓器都可構成一個磁平衡差動模型，從而反映變壓器內部故障。由于匝間故障破壞了磁通的平衡，因此磁平衡差動可以反映匝間故障。

2.2 電平衡差動

電平衡差動是基于基爾霍夫第一定律的差動保護。對于T接的導線，其差流計算公式為：

2.3 不同類型移相變壓器的差動配置原則

移相變壓器的差動保護配置與其一次結構關系非常緊密，不同類型的移相變壓器需配置不同形式的差動保護。對稱型和不對稱型的移相變壓器區(qū)別在于勵磁電壓選取位置不同。此外非對稱型串聯(lián)繞組只有1個，對稱型串聯(lián)繞組有2個。二者區(qū)別不大，對稱型由于有2個繞組，保護實現(xiàn)略微復雜。

單芯移相變壓器和雙芯移相變壓器在結構上有本質不同。單芯移相變壓器只有1個變壓器，因此只配置1個磁平衡原理差動保護。雙芯移相變壓器由2個變壓器組成，可以根據(jù)條件配置2個磁平衡差動保護。由于接線方式不同，二者都可以配置電平衡原理差動，但電平衡差動保護的保護范圍并不一樣。單芯移相變壓器根據(jù)TA安裝位置，可保護變壓器的原邊或同時保護變壓器的原副邊；雙芯移相變壓器一般可保護串聯(lián)變的一次繞組和并聯(lián)變的一次繞組。

連續(xù)控制型和分級控制型移相變壓器主要差別在磁平衡差動保護。連續(xù)控制型移相變壓器中的并聯(lián)變壓器由于其原副邊變比可變化幅度非常大，很難配置普通的變壓器差動保護。而分級控制型移相變壓器每個繞組的匝數(shù)是固定的，如每個繞組均安裝有TA，可對并聯(lián)變壓器配置磁平衡差動保護。

3 差動保護配置方案

差動保護配置同移相變壓器一次結構和TA配置都有密切相關。下面以3種典型的移相變壓器為例，分析不同移相變壓器的保護配置。除接線特殊的移相變壓器外，其他類型的移相變壓器基本可參照此3種類型進行配置。下面的分析基于典型的TA配置，根據(jù)應用場合、制造工藝、生產廠家的不同，TA安裝的位置和數(shù)量會有所差別，對應的保護配置及保護范圍也需進行相應調整。

3.1 單芯對稱型移相變壓器

單芯對稱型移相變壓器為比較常見的移相變壓器，結構簡單，造價相對較低，其接線方式如圖8所示。

圖8 單芯對稱移相變壓器接線

單芯移相變壓器差動保護配置簡單，一般只配置電平衡差動，部分故障需要依靠后備保護及瓦斯保護反映，具體配置：使用 TA1、TA 2、TA 3；保護范圍為串聯(lián)繞組B1和B2及其之間引線。

3.2 雙芯不對稱連續(xù)控制型移相變壓器

雙芯不稱型連續(xù)控制移相變壓器具備雙芯移相變壓器的優(yōu)點，同時調壓方式相對簡單，無需復雜的控制回路，其接線方式如圖9所示。

圖9 雙芯不對稱連續(xù)控制移相變壓器接線

由于電壓連續(xù)控制，只有串聯(lián)變配置了磁平衡差動保護，其保護原理和Y/D接線的兩圈變類似。同時配置電平衡差動，保護2個變壓器的一次繞組，差動保護配置[6]如表1所示。

3.3 雙芯對稱分級控制型移相變壓器

雙芯對稱分級控制型移相變壓器結構復雜，需要獨立的控制系統(tǒng)進行電壓調節(jié)，其結構如圖10所示。

表1 雙芯不對稱連續(xù)控制移相變壓器差動配置

圖10 雙芯對稱分級控制型移相變壓器接線

雙芯對稱分級控制型移相變壓器中的串聯(lián)變和并聯(lián)變均可配置獨立的磁平衡差動保護。并聯(lián)變壓器保護原理同Y/Y/Y接線的變壓器類似，串聯(lián)變壓器保護原理同Y/Y/D接線的變壓器類似。此外還可配置電平衡差動，用于保護兩個變壓器的一次繞組，差動保護配置如表2所示。

表2 雙芯對稱分級控制移相變壓器差動配置

4 仿真分析

以最復雜的雙芯對稱分級控制型移相變壓器為研究對象建立RTDS仿真模型，分析不同差動的保護范圍和動作特性。

線路首端TA1區(qū)內發(fā)生A相接地故障，電平衡差動和串聯(lián)變磁平衡差動均可反映該故障，波形如圖11所示。

并聯(lián)變壓器繞組E2發(fā)生100%匝間故障，并聯(lián)變磁平衡差動可反映該故障，波形如圖12所示。

串聯(lián)變繞組B3發(fā)生15%匝間故障，串聯(lián)變磁平衡差動可反映該故障，波形如圖13所示。

圖11 線路首端故障時各差動差流波形

圖12 并聯(lián)變繞組E2匝間故障時各差動差流波形

圖13 串聯(lián)變繞組B3匝間故障時各差動差流波形

從以上波形可看出，3個差動有各自的保護范圍，并且反映不同的故障類型。各差動相互配合，共同構成了完整的移相變壓器差動保護。

5 結束語

從保護角度出發(fā)，對移相變壓器進行了分類研究，提出了典型移相變壓器的差動保護配置方案。通過理論分析和仿真實驗驗證了各差動保護范圍和配合關系。需要指出的是，根據(jù)不同工程應用，TA配置會有所不同，因此各保護的實際保護范圍可能會有所變化。同時文中討論范圍之外的一些特殊接線的移相變壓器，由于其結構通常非常復雜，還有待進一步研究。

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[7]袁宇波，李 鵬，黃浩聲.變壓器差動保護誤動原因分析及對策綜述[J].江蘇電機工程，2013，32(6)：8-11.作者簡介：

張曉宇(1981)，男，吉林吉林市人，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護研發(fā)工作；

顧喬根(1986)，男，江蘇南通人，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護研發(fā)工作；

文繼鋒(1978)，男，江西萍鄉(xiāng)人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護研發(fā)工作；

莫品豪(1985)，男，廣西貴港人，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護研發(fā)工作；

鄭 超(1987)，男，黑龍江綏化人，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護研發(fā)工作。